再次刷新人類對物質的認知:全新四夸克粒子被發現

2020-12-03 騰訊網

LHC 的高能質子碰撞中首次出現了一種前所未見的新四夸克，與先前發現的四夸克粒子性質十分不同。該研究論文目前還在同行評審階段，如果最終確認，這將是粒子物理學中的一個突破性發現。

圖片來源：CERN

本文轉載自公眾號「原理」

撰文 二宗主

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最近，歐洲核子研究中心（CERN）的 LHCb 合作小組宣布了一項新的發現，他們稱找到了一種奇異的、新的四夸克粒子。

6 月 30 日，這項由近千名作者參與的研究被提交到了 arXiv 上，目前論文仍處於「同行評審」階段，但研究結果已經於一個研討會上呈現。據研究人員稱，這一結果符合宣稱發現了一個新粒子的統計閾值標準的。一旦得到最終確認，這將會是一項重大的發現，標誌著粒子物理學的一個巨大突破。

LHCb 探測器。| 圖片來源：M. Brice, J. Ordan/CERN

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為什麼新發現的這個四夸克如此重要？故事或許要從上世紀 60 年代開始說起。

那時，粒子物理學正處於一場革命之中，物理學家已經發現了大量的新粒子。然而，這顯然不符合許多物理學家心中所認為的——自然在本質上應該是簡潔的、優雅的。因此，當時歐洲核子研究中心的喬治·茨威格（George Zweig），以及美國加州理工學院的默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）在兩篇獨立發表的論文中，提出了全新的可能性：所有這些不同的粒子，是否可能都是由更小的、未知的不可分割的粒子組成的？

蓋爾曼（1966 年）。| 圖片來源：Caltech Archives

茨威格將他的這些不可分割的基本粒子稱為「ace」；而蓋爾曼則選用「quark」，也就是被沿用至今的「夸克」一詞。

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根據標準模型，我們知道夸克有 6 種味，分別為上（up）、下（down）、粲（charm）、奇（strange）、底（bottom）、頂（top），它們各自有與之對應的攜帶相反電荷的反物質粒子。

如果按照這些夸克的質量大小來排列，最輕的是上、下夸克，這兩種夸克也最穩定；質量居中的是粲、奇夸克，它們通常會迅速衰變成上夸克或下夸克；最重的是底、頂夸克，這兩種夸克只能通過高能粒子間的碰撞產生。

根據基於對稱性的一些簡單規則，夸克可以互相結合，形成一種名為強子的複合粒子。強子又包括由一個夸克和一個反夸克組成的介子，以及由三個夸克結合在一起的重子，我們熟悉的質子和中子就都是重子。

普通強子。| 圖片設計：雯雯子

然而，早在蓋爾曼最初的論文中，他就已經意識到夸克或許還能以其他的方式組合。例如，兩個夸克和兩個反夸克或許可以粘在一起形成一個「四夸克」，而四個夸克和一個反夸克可以形成一個「五夸克」。

奇異強子。| 圖片設計：雯雯子

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將時間快進到 2003 年。那一年，日本 KEK 實驗室的科學家發現了一種名為X(3872)的新介子，這種新介子表現出了完全不同於普通介子的「奇異」特性。在接下來的幾年中，新的奇異粒子被相繼發現，物理學家開始意識到，許多這些奇異粒子只能用它們是由 4 個夸克構成的四夸克粒子來解釋。終於在 2015 年，CERN 的 LHCb 實驗確認發現了第一個由 5 個夸克組成的五夸克粒子。

五夸克的兩種可能組合：上圖顯示的是五個夸克緊緊的束縛在一起的情況；下圖顯示的是兩個夸克束縛在一起形成了一個介子（白），以及三個夸克束縛在一起形成了類似質子和中子的結構（紅）。| 圖片來源：CERN

迄今為止，所有已發現的四夸克和五夸克都包含兩個質量相對較重的粲夸克，以及兩個或三個較輕的上、下或奇夸克。這些組合是最容易在實驗中出現的情況。

但是，最新發現的這種被命名為X(6900)的四夸克卻格外獨特，它是一類完全由 4 個相同類型的重夸克組成的粒子！具體說來，它由兩個粲夸克和兩個反粲夸克構成。這意味著，LHC 的高能質子碰撞中首次出現了一種前所未見的新四夸克。

由兩個粲夸克和兩個反粲夸克組成的四夸克。| 圖片來源：CERN

新的四夸克是通過它衰變成一對J/ψ 介子而被觀察到的，每一個 J/ψ 介子都是由一個粲夸克和一個反粲夸克組成的，這使得 X(6900) 成了最獨特的四夸克。

目前，有兩種不同的解釋可用於描述這些夸克是如何結合在一起的：一是認為它們通過強結合，形成了一個真正的緊湊的四夸克粒子；第二種可能是一對兩夸克粒子形成了兩個介子，通過弱結合鬆散地形成了一個類似「分子」的結構。

雖然還無法完全確認是哪一種情況，不過研究人員認為，最有可能的情況是 4 個夸克形成了一個緊湊的四夸克粒子。

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夸克之間的強核力遵循非常複雜的規則，複雜到唯一能夠計算其效應的方法是使用近似和超級計算機。X(6900) 的獨特性質將有助於研究人員理解如何提高這種近似的精確度，成為粒子物理學家研究強核力的最佳「實驗室」。

同時，新的發現是一個巨大的飛躍，它表明，或許存在著許多由其他的重夸克構成的四夸克，而這些未知的奇異粒子，或許正等待著我們的發現。

本文轉載自公眾號「原理」

（ID: principia1687）

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